Создан датчик, измеряющий уровень углекислого газа с небольшой погрешностью — Naked Science
РНФ

Создан датчик, измеряющий уровень углекислого газа с небольшой погрешностью

4.2

Ученые предложили конфигурацию датчика на основе метаматериалов, поверхность которого при поглощении углекислого газа испускает световую волну — по ее длине можно определить концентрацию углекислоты в воздухе. Датчик компактный, не реагирует на наличие других веществ и помогает получить данные о количестве углекислого газа с небольшой погрешностью. Он может быть полезен при отслеживании концентрации углекислого газа в атмосфере, повышенная концентрация которого вредна для здоровья, а также приводит к глобальному потеплению.

Создан датчик, измеряющий уровень углекислого газа с небольшой погрешностью / ©Getty images

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Sensors. Концентрация углекислого газа в воздухе составляет около 400 ч/млн (частей на миллион), это 0,04 процента объемной концентрации. В районах, рядом с которыми расположены промышленные предприятия, норма содержания CO2 выше примерно в 1,5 раза — 600 ч/млн. Концентрация больше 800 ч/млн считается вредной для здоровья человека.

Увеличение количества углекислого газа в воздухе влияет не только на самочувствие, но и приводит к глобальному потеплению. Поэтому в мире растет потребность в точных датчиках, которые смогут отслеживать концентрацию парниковых газов. Сегодня для этого используют недисперсионную инфракрасную спектроскопию. Датчик состоит из инфракрасного источника, измерительной камеры, фильтра длины волны и инфракрасного детектора.

Перед детектором установлен оптический фильтр, он поглощает весь свет, кроме определенной длины волны, которая может быть захвачена молекулами измеряемого газа. Когда газ попадает в камеру, его концентрация измеряется благодаря поглощению определенной длины волны в инфракрасном спектре.

Предлагаемый учеными датчик отличается от аналогов своим небольшим размером. На его оптическую подложку нанесены слои хрома, золота и кремния. Из кремния сделаны наноразмерные цилиндры, так называемые метаатомы. Расположенные в некотором порядке, они формируют поверхность метаматериала с уникальными свойствами, которых нет в природе. Верхний, функциональный слой датчика состоит из полимера полигексаметилена бигуанидина, который используется, например, как антисептик.

Схема, используемая для обнаружения газа CO2 с помощью метода опроса по длине волны: a) тонкий слой функционального слоя PHMB нанесен на метаповерхность; b) реакция между газом CO2 и амидосодержащими функциональными группами / ©Kazanskiy et al. / Sensors, 2021

Механизм работы заключается в измерении длины волны отраженного света, который улавливается с помощью фотодетектора, а он используется для преобразования фотонов в ток. Когда газ CO2 попадает в камеру, он поглощается слоем полигексаметилен бигуанидина. После этого показатель преломления слоя уменьшается, а свет отражается под углом 45 градусов. Изменение показателя преломления слоя полигексаметилена, а также сдвиг длины волны отраженного света относительно исходного зависят от концентрации газа.

Преимущество предлагаемого датчика заключается в том, что он не вызывает нежелательного изменения показателя преломления в слое полимера и не фиксирует уровень содержания других газов в воздухе, например азота и водорода. Кроме того, можно настраивать электромагнитные характеристики материала и получать определенные оптические свойства, например, изменить уровень поглощения света и таким образом обнаружить большие концентрации углекислого газа.

«Во время работы мы провели численное исследование и получили зависимость показателя преломления слоя полигексаметилена бигуанидина от концентрации газообразного CO2. Точность работы датчика мы подтвердили при помощи десяти повторяющихся циклов измерений. Мы каждый раз подавали 50 ч/млн углекислого газа на датчик, а также продували камеру азотом.

Анализ показал, что датчик показывает концентрацию углекислого газа с погрешностью ± 20 ч/млн и не берет во внимание N2», — рассказал участник исследования Николай Казанский, профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета. Предлагаемая конфигурация датчика может быть использована для обнаружения других токсичных газов с использованием подходящих функциональных материалов. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
РНФ осуществляет финансовую и организационную поддержку фундаментальных и поисковых научных исследований посредством финансирования прошедших конкурсный отбор научных, научно-технических программ и проектов.
Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

8 часов назад
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

7 часов назад
Василий Парфенов

Компания Microsoft несколько лет назад намеревалась не изменять номер своей основной операционной системы для компьютеров — «десятка» должна была остаться с нами надолго. Однако очередное крупное обновление, по мнению маркетологов, очевидно, оказалось достойно новой цифры в названии ОС. Windows 11 принесет пользователям не только новые функции, улучшения безопасности и быстродействия, а также измененный дизайн, но и лишится некоторых привычных элементов. Хотя если кто-то и расстроится из-за этого, то скучать будет лишь по парочке из них.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Вчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: